新能源发电技术课件09氢能与燃料电池-学生版.ppt

大的液氢储罐存在热分层问题。储罐底部液体因承受压力而沸点略高，上部由于少量挥发而始终保持极低温度。静置后，液体形成下热上冷的两层，显然是不稳定状态，稍有扰动就会翻动。如果略热而蒸气压较高的底层翻到上部，就会发生液氢爆沸，产生氢气，体积膨胀，使储罐爆破。§9.3.3液氢的储存液氢储罐的结构很复杂，一般如图，最理想的形状是球形。（图片请参考教材《新能源发电技术》P163图9.2）§9.3.3液氢的储存某些金属具有很强的捕捉氢的能力，在一定的温度和压力条件下，能大量“吸收”氢气，发生化学反应生成金属氢化物，氢就以固体形式存储起来。需要用氢时，可将这些金属氢化物加热，使其分解，将储存在其中的氢释放出来。金属氢化物的储氢容量较大，相同温度、压力，体积储氢密度是氢气的1000倍，与液氢相当，不过质量储氢密度低。§9.3.4固体金属氢化物储存（1）有机物储氢已成为一项有发展前景的储氢技术。有机液体化合物储氢剂主要是苯和甲苯，与氢反应生成环己烷或甲基环己烷（理论贮氢量为7.19%和6.18%)，在0.1MPa、室温下呈液态，通过催化脱氢反应又可产氢以供使用。§9.3.5研究中的新储氢方法（2）地下压缩储氢是一种长期大量储氢的主要方法。储氢规模可达百万立方米以上。多孔、水饱和的岩石是理想的防止氢气扩散的介质。但地下储存的氢气大约有50%左右会滞留在岩洞中，难于被释放出来。德国、法国、英国都有相关的储氢实践。§9.3.5研究中的新储氢方法（3）碳质储氢材料一直为人们所关注。主要是高比表面积活性炭等。特殊加工后的高比表面积活性炭，在2-4MPa和超低温下，质量储氢密度可达5%-7%。低温条件限制了它的广泛应用。碳纳米管自1991年被发现以来，已经成为目前人们研究最多的碳质储氢材料，具有储氢量大、释氢速度快、常温下释氢等优点，但工业化应用还不成熟。此外，配位氢化物储氢和水合物储氢近年来也得到广泛研究。§9.4燃料电池概述发现故事：1938年，德国的斯孔贝恩教授发现，在电解液里的氢气和氧气中分别插入一根铂电极，两个电极之间会产生电压，这就是最早发现的燃料电池原理。1839年，英国的格罗夫在实验室验证燃料电池现象。将铂金电极放入试管，在不同的试管里分别充满氢气和氧气，再把多个这样的装置串联起来将试管的开口浸入稀硫酸溶液，在两端的电极之间形成了较高的电压。燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置。不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能变为电能。和化学电池不同，它工作时需要连续地从外部供给反应物。燃料电池利用的水电解的逆反应，即氢元素和氧元素合成水并输出电能。§9.4.1燃料电池的基本原理燃料电池由阳极、阴极和夹在中间的电解质及外接电路组成。工作时，一般向阳极供燃料(氢)，向阴极供氧化剂(氧)。氢在阳极分解成氢离子H+和电子e-。氢离子进入电解质中，而电子则沿外部电路移向正极。阴极的氧同电解质中的氢离子吸收抵达阴极的电子形成水。电子在外部电路从阳极向阴极移动的过程中形成电流，接在外部电路中的用电负载即可因此获得电能。当源源不断地从外部供给燃料和氧化剂时，燃料电池即可连续发电。最主要的燃料是氢。氧化剂是氧气或空气。§9.4.1燃料电池的基本原理§9.4.1燃料电池的基本原理氢燃料电池的基本结构，如图所示。发生的化学反应如下阳极： 阴极： 总反应： 为加速电化学反应，燃料电池的电极上往往都有催化剂。催化剂一般做成多孔材料，以增大燃料、电解质和电极之间的接触截面。对于液态电解质，需要有电解质保持材料，即电解质膜。外电路包括集电器（极板）和负载。§9.4.1燃料电池的基本原理由一个阳极、一个阴极和相关的电解质、燃料、空气通路组成的最小电池单元称为单体电池；多个单体电池重叠连接形成的整体，称为电堆。实用的燃料电池均由电堆组成。燃料电池就像积木一样，可以根据功率要求灵活组合，容量小到为手机供电、大到可与常规发电厂相提并论。§9.4.1燃料电池的基本原理燃料电池系统，除燃料电池本体(发电系统)外，还有一些外围装置，用于燃料重整供应、氧气供应、水管理、热管理、逆变、控制、安全等。§9.4.2燃料电池系统的构成（1）燃料重整供应系统，将外部供给的燃料转化为以氢为主要成分的燃料。直接以氢为燃料，供应系统比较简单。（2）氧气供给系统，作用是提供反应所需的氧，可以是纯氧，也可以用空气。§9.4.2燃料电池系统的构成（3）水管理系统，可将阴极生成的水及时带走，以免造成燃料电池失效。对于质子交换膜燃料电池，质子是以水合离子状态进行传导的，需要有水参与，而且水少了还会影响电解质膜的